采用Hydrostar进行沉管运输波浪载荷预报

陈晓飞 严锋 谭健伟

摘    要：本文主要阐述了用Patran进行海底沉管隧道建模，并用Hydrostar进行最大波浪载荷（包括弯矩与扭矩）的计算和确定设计波。

关键词：Hydrostar;波浪载荷;设计波

中图分类号：U661.32                              文献标识码：A

Calculation of Seabed Tunnel Transportation Wave Load by Hydrostar

CHEN Xiaofei， YAN Feng， TAN Jianwei

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： This paper mainly expounds the modeling of seabed tunnel by Patran， calculates the maximum wave load （including bending moment and torque） and determines the design wave by Hydrostar.

Key words： Hydrostar; Wave load; Design wave

1    引言

建設大型海底隧道一般都会有沉管运输的施工环节，正在建设中的深中通道拟采用两条双体船将沉管系固并拖曳到预定海域进行下沉安装。为保障施工作业安全，需对安装作业过程进行力学校核，即计算双体船受到的载荷以校核船体强度与船体位移是否满足要求。双体船不仅受到自身及沉管的静载荷，还受到波浪施加的动载荷，本文主要阐述利用Hydrostar软件进行波浪载荷计算及确定设计波的过程。

2   计算流程

船体模型建好后，进行波浪辐射/绕射计算会得到不同浪向角与波浪频率下的传递函数（RAO），依据RAO进行谱分析可得到特定海况下的最大波浪载荷及设计波参数。

计算流程如下：

（1）在Patran中以船壳面作为载体建立面网格;

（2）将面网格导出为网格坐标数据文件，经转化后导入到Hydrostar中;

（3）在Hydrostar中设置波浪辐射/绕射条件，进行浮体运动特性计算、船体计算剖面的设置、传递函数（RAO）的计算及绘图;

（4）设置海况条件，并结合RAO获得波浪载荷及设计波参数。

根据《钢质海船入级规范》（2018）第2篇第1章1.5.7，设计波计算流程如图1所示：

3   计算模型

用Patran建立船体面网格，然后将面网格与节点坐标数据导入到Hydrostar中自动生成船壳网格。

由于沉管自身受到的波浪载荷会传递到双体船，故在Hydrostar建模时以统一坐标系进行建模。

根据Hydrostar对网格模型的要求，Patran中只需要建立半船网格即可，即对于常规型船只需建立以Y向为法向的中性面作为对称中心的半船。但是由于Hydrostar中无法直接计算得到横扭、横弯数据，只能得到纵扭、纵弯数据，本文采取的做法是：将船体以Z向轴为中心轴旋转90°，因为新模型与原模型存在90°的相位差，依据新的模型得到的纵扭、纵弯数据即可得原模型的横扭、横弯数据。

Patran中的模型，如图2，图3所示：

Hydrostar中的模型（水线以下部分），如图4、图5所示：

上述图中两侧较小的模型为双体船的片体，中间较大的模型为沉管模型。在Hydrostar中采用的建模思路是：将沉管与2条双体船组成的模型作为三个浮体。

4   传递函数

Hydrostar中的典型剖面传递函数示意图，如图6～10所示。由图中可以得到最大载荷下的波浪圆频率：图中纵坐标为载荷与波高比值（即RAO）;横坐标为对应的不同浪向角下的波浪圆频率。

5   波浪载荷

（1）对于纵扭计算，建模方法为：在Patran中以法向为Y向的中性面作为对称面建立半船模型，导出网格坐标数据处理后得到可以直接导入到Hydrostar的网格数据文件，将该文件导入Hydrostar中生成船壳模型。

计算得到的纵扭数据及设计波参数，如表1所示：

表1中：第1列为沿模型纵向的剖面位置参数;第2列为模型可能遭遇到的最大纵扭扭矩数值;第4到7列数据为该纵扭数据下对应的设计波参数，该设计波参数可以输入到Aqwa中作为初始环境条件计算得到模型受到的波浪力，并可以将该波浪力作为载荷施加到Ansys模型进行全船结构有限元直接计算;

（2）对于横扭、横弯计算，建模方法为：在Patran中以法向为X向且位于船中的面作为对称面建立新的半船模型，然后将模型导出的网格X、Y坐标值进行调换，经过这样处理后的坐标数据导入到Hydrostar得到新的全船模型（见图4），新模型相对于图3中的模型存在90°的相位差。

计算得到的横扭、横弯数据及设计波参数，见表2、表3所示：

表2、表3中：第1列为沿模型横向的剖面位置参数;第2列分别为模型可能会遭遇到的最大横扭扭矩、横弯弯矩;第4到7列数据为对应的设计波参数，该设计波参数可以输入到Aqwa中作为初始环境条件计算得到模型受到的波浪力，并可将该波浪力作为载荷施加到Ansys模型进行全船结构有限元直接计算。

6    结论

（1）Hydrostar软件一般用于计算沿船体纵向的弯矩、扭矩，但因本项目需要计算波浪作用下船体的横向扭矩、横向弯矩，本文通过在Hydrostar中建立旋转90°的模型，得到了所需数据;

（2）一般情况下，Hydrostar软件计算结果，提供波浪载荷用于校核总纵强度。本文介绍了通过谱分析确定设计波，可供其他软件进行后续计算，适用性良好。

参考文献

[1] 胡仁喜等.Patran 2014与Nastran 2014有限元分析从入门到精通[M].  机械工业出版社，2018.

[2] 钢质海船入级规范2018第2分册[S].人民交通出版社，2018.